基于HEC-RAS軟件模型的橋梁壅水計(jì)算簡析

(樂山市水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 樂山，614000)

1 引言

因橋墩將占據(jù)河道一定的過水面積，特別是在較大洪水情況下，受橋墩的束水和阻水作用，將在橋位上游局部范圍內(nèi)形成一定的壅水，對橋區(qū)河段的洪水位和流場均會造成一定的改變。因此橋梁設(shè)計(jì)方案確定后，業(yè)主單位需委托有資質(zhì)的單位分析、評價(jià)橋梁建成后對上游河段的壅水影響[1]。

在實(shí)際評價(jià)中，橋梁壅水計(jì)算通常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，例如《鐵路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10017-99)中的壅水計(jì)算公式，公式中對河段河床組成、河道特性以及橋下供給過水面積等參數(shù)要求較高，很多參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)取值有很大關(guān)系。而HEC-RAS軟件模型要求根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)方案在橋位橫斷面處輸入橋梁各參數(shù)，以模擬出橋梁建成后河段水面線，從而得到橋梁壅水高度及長度等。

本文以樂山市某大橋?yàn)槔?，?jì)算其壅水高度及壅水長度。

2 橋梁概況

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)資料，上部結(jié)構(gòu)采用(14×40+3×50+6×40)m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋，橋梁軸線的法線與水流方向基本一致。橋面橫向坡度0%，縱向坡度-2.033%～2.3%(自左岸向右岸)，橋面厚2.5m，橋面寬32m。下部結(jié)構(gòu)均采用鋼筋混凝土蓋梁+圓柱墩：除50m跨徑T梁橋墩(14#～17#)寬2.2m外，其余橋墩寬2.0m。

該橋橋面連續(xù)，橋長959m，屬大橋，其防洪標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇設(shè)計(jì)。經(jīng)水文計(jì)算，橋位處100年一遇洪水流量為18600m3/s。

該橋梁跨河部分設(shè)計(jì)尺寸統(tǒng)計(jì)見下表1。

表1 橋梁跨河部分設(shè)計(jì)高程及尺寸

3 HEC-RAS軟件模型概況

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水面線計(jì)算軟件包，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計(jì)算，可進(jìn)行各種涉水建筑物(如橋梁、涵洞、防洪堤、堰、水庫、塊狀阻水建筑物等)的水面線分析計(jì)算，同時(shí)可生成橫斷面形態(tài)圖、流量及水位過程曲線、復(fù)式河道三維斷面圖等各種分析圖表。該軟件模型在國內(nèi)外水面線推算中已廣泛應(yīng)用。

HEC-RAS水面線計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)逐步遞推法求解一維能量方程式。該模型不僅根據(jù)糙率的縱橫向分布考慮主河道和灘地的流量分配，還考慮了糙率隨水位的變化，并且還結(jié)合各種形狀涉水建筑物的阻水基理分析阻水情況和能量損失。

其基本能量方程式表示如下：

式中：Z2、Z1——上、下游斷面河底高程；

Y2、Y1——上、下游斷面水深；

V2、V1——上、下游斷面平均流速；

α2、α1——動能校正系數(shù)；

g——重力加速度；

he——工程阻水造成的水頭損失。

圖1 能量方程各要素示意

兩個斷面間的能量水頭損失由摩擦損失和水流收縮(放大)產(chǎn)生的水頭損失組成。能量水頭損失方程如下：

C——斷面擴(kuò)張或收縮系數(shù)；

L——流量加權(quán)系數(shù)。

流量加權(quán)系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：K——流量模數(shù)；

n——糙率系數(shù)；

A——分區(qū)面積；

R——水力半徑。

動能校正系數(shù)α計(jì)算公式如下：

式中：At——斷面總面積；

Kt——總流量模數(shù)；

Alob、Ach、Arob——左岸灘地、主河道、右岸灘地面積；

Klob、Kch、Krob——左岸灘地、主河道、右岸灘地流量模數(shù)。

4 HEC-RAS軟件模型計(jì)算橋梁壅水

4.1 橫斷面布置

在上起橋軸線上游約510m、下至橋軸線下游350m，總長約860m的河段上布置5個橫斷面(CS1～CS5)進(jìn)行河段分析，其中CS3段面為橋址處斷面。

將橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)、尺寸按HEC-RAS軟件模型輸入方法在橋位處實(shí)測橫斷面(CS3)上得到模擬，見圖2。

圖2 橋位橫斷面

4.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果

根據(jù)水文分析計(jì)算成果，該河段100年一遇(P=1%)設(shè)計(jì)洪水流量為18600m3/s。

4.3 河床糙率

該河段此前有多家科研設(shè)計(jì)單位進(jìn)行過歷史洪水調(diào)查工作，調(diào)查成果歷經(jīng)多次復(fù)核和審查，并運(yùn)用于該流域水利工程設(shè)計(jì)中，成果合理可靠。該河道綜合糙率n值為0.035～0.038。

4.4 起算控制水位

河段水面線推算起始控制斷面為CS1斷面，P=1%時(shí)設(shè)計(jì)洪峰流量18600m3/s，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位388.70m。

4.5 計(jì)算結(jié)果

橋孔壓縮水流，使橋位上游水面雍高，形成橋前壅水。壅水高度一般跟水流進(jìn)入橋孔的阻力、橋下水流的過水面積、河床糙率等有關(guān)。與建橋前河流的情況比起來，橋梁對河流的過流與行洪有一定的影響。

通過以上參數(shù)，采用HEC-RAS河流分析系統(tǒng)軟件模型計(jì)算河段建橋前、后水面線，成果見表2。

表2 橋梁河段設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算成果

橋位斷面處建橋前、后各洪水參數(shù)指標(biāo)見表3。

表3 橋位處斷面(CS3)洪水參數(shù)指標(biāo)變化

4.6 分析計(jì)算結(jié)果

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)方案及實(shí)測橫斷面圖，通過采用HEC-RAS軟件模型進(jìn)行該橋壅水計(jì)算。在100年一遇洪水下，建橋后因橋墩擠占河道部分行洪斷面，過水面積減少209m2，過水面積縮窄率為4.65%，橋位處流速增加4.87%，設(shè)計(jì)洪水位壅高0.04m，橋前壅高0.08m，橋梁壅水長度約120m。

橋梁建成后，工程河段三維模型見圖3。

圖3 橋梁建成后河段洪水三維模擬

5 結(jié)論

HEC-RAS軟件模型進(jìn)行橋梁壅水分析，依據(jù)的基礎(chǔ)資料是橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)、尺寸，以及實(shí)測河道橫斷面，相比經(jīng)驗(yàn)公式來說，能更好地反映橋梁建設(shè)對河道行洪的影響，因?yàn)樗菍蛄簶蛐驮O(shè)計(jì)加載到橋位橫斷面上，模擬出橋梁建成后橋位處橫斷面的變化，從而采用能量方程推算出建橋后的河道水面線。